Mathematical Analysis of Cryptographic Multilinear Maps

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 자연과학대학 수리과학부, 2017. 8. 천정희.Multilinear maps are a very powerful tool in cryptography. Nonetheless, to date, only three types of multilinear maps have been published relying on a graded encoding scheme. The first candidate is proposed by Garg, Gentry, and Halevi (GGH) relying on an ideal lattice [GGH13a], the second one is dened on integers as established by Coron, Lepoint, and Tibouchi (CLT) [CLT13], and the last one is provided by Gentry, Gorbunov, and Halevi (GGH15) relying on a graph induced graded encoding scheme [GGH15]. These multilinear maps have led to a number of applications in cryptography such as one round key exchange protocol, witness encryptions, and even indistinguishable obfuscations. The security of the applications depends on some hardness problems derived from a graded encoding scheme. However, none of them have reduction to well-known hard problems. For that reasons, many researches attempt to investigate the hardness of the problems. Actually, when low-level encodings of zero are given, the GGH scheme is known to be insecure by Hu and Jia [HJ16] and the last candidate of a multilinear map GGH15 is known to be insecure [CLLT16]. In the thesis, we describe an algebraic analysis on the hardness problems of two GGH and CLT multilinear maps. Common to two candidates are constructed by graded encoding schemes and provide an additional public information zerotesting parameter, which is used to determine whether the hidden message is zero or not. Exploiting the structure of graded encoding scheme and additional input, we study how to solve the hardness problems in three cases. First, we show another approach to break the GGH scheme with low level encodings of zero. According to the original GGH paper, finding a short vector for a given principal ideal lattice enables to break the scheme. Therefore, the parameters are set to be invulnerable to the best known algorithm for finding a short vector on ideal lattice. By proposing an improved lattice reduction algorithm to find a short vector, we prove that the multilinear map is broken within quasi polynomial time of the suggested parameters. Second, we describe that how to construct a level-0 encoding of zero from GGH public parameter without level encodings of zero in the quasi polynomial time of the suggested parameters. The obtained encoding of zero serves as a low level encoding of zero in the first study. Thus we also show that GGH without low level encodings of zero is insecure. Finally, for CLT scheme with low level encodings of zero, we attempt to reveal the all secret elements of scheme in polynomial time. By multiplying encodings of zero to zerotesting parameter appropriately, one can obtain an integer matrix of secret quantities. Next we recover the secret elements by computing eigenvalues.Abstract i 1 Introduction 1 1.1 Multilinear maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2.1 Analysis of the GGH scheme . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2.2 Analysis of the CLT scheme . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 Preliminaries 7 2.1 Notations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 Graded encoding Schemes and Multilinear map Procedure. . . 8 2.3 Hardness Problems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3 Multilinear maps over the Ideal Lattices and Its Analysis 13 3.1 GGH13 Multilinear maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.2 Basic Notions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.3 Attack on GGH with low level encodings of zero . . . . . . . . 19 3.3.1 Sublattice Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.4 Attack on GGH with top level encodings of zero . . . . . . . . 24 3.4.1 Overstretched NTRU Problem and Its Analysis . . . . 25 4 Multilinear Maps over the Integers and Its Analysis 38 4.1 The CLT13 Multilinear Map. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2 CRT-ACD with auxiliary input and Its Analysis . . . . . . . . 42 4.2.1 Application to CLT Schemes . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.3 Analysis of the Related Problems. . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.3.1 Solving the CLT SubM Problem . . . . . . . . . . . . . 55 4.3.2 Solving the CLT DLIN Problem . . . . . . . . . . . . . 56 4.3.3 Solving the CLT GXDH Problem . . . . . . . . . . . . 57 5 Conclusions 59 Abstract (in Korean) 67 Acknowledgement (in Korean) 68Docto

Effect of Chlortetracycline on Anaerobic Digestion of Cattle Manure: Focused on Chemical Forms of Chlortetracycline

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 공과대학 건설환경공학부, 2017. 8. 김재영.가축 사육의 산업화로 인해 유기성 폐기물인 가축분뇨가 대량으로 집약되어 발생하고, 그 양이 증가하고 있다. 이에 따라 가축분뇨의 효율적인 처리가 필요하다. 가축 분뇨 처리 방법 중 혐기성 소화 (anaerobic digestion)는 경제적이고 친환경적인 방법으로 사용되어 왔다. 혐기성 소화는 혐기성 조건에서 혐기성 미생물이 유기물을 기질로 하여 대사함으로써 감량시키고, 최종산물로서 메탄과 이산화탄소가 발생되는 일련의 과정이다. 배출된 분뇨에는 가축의 질병 치료 및 성장 촉진 목적으로 사용된 항생제가 포함되어 있다. 항생제는 미생물의 단백질 합성저해, 세포벽 약화 등의 기작을 통해 미생물 성장을 저해하는 물질이다. 그 중에서 chlortetracycline (CTC)은 전 세계에서 사용되는 주요 항생제 중 가장 많이 소비되는 항생제이다. 분뇨를 통해 70% 이상 배출되며 반감기와 독성이 다른 주요 항생제에 비해 수십배 높다. 이에 CTC은 가축분뇨 내 잔류하여 분뇨의 혐기성 소화 시 부작용을 일으킬 가능성이 가장 높은 항생제로 예상된다. 또한 CTC은 3 개의 작용기를 가지며 2가 양이온과 chelate 결합하는 이온성 물질이다. 환경 조건에 따라 존재형태가 달라지고 항생작용의 정도 (내성 유전자의 발현, 세포 내 축적, 독성 등)를 달리한다. 그러므로 가축 분뇨 내 존재하는 CTC의 존재형태를 고려하여 혐기성 소화 과정에 미치는 영향 및 가능성에 대한 연구가 필요하다. 가축분뇨의 혐기성 소화 중 CTC의 영향과 혐기성 소화 조건에 따른 존재형태의 영향 가능성에 대한 연구는 추후 혐기성 소화 과정에서 분뇨 내 항생제의 환경영향 평가에 기준 자료로서 활용될 수 있다. 본 연구에서는 가축분뇨 중 단독 소화 비율이 가장 높은 우분을 대상으로 하여 CTC의 존재형태를 중심으로 혐기성 소화에 미치는 영향 연구를 수행하였다. 우선 혐기성 소화 중 기질의 변화 및 소화 결과를 단편적으로 관찰하기 위해 회분식 실험을 통해 CTC 농도에 따른 유기물 감량 및 바이오 가스 (메탄, 이산화탄소) 발생량 변화를 조사하였다. 기질로서 무항생제로 사육된 한우의 분뇨를 채취하여 사용하였다. 샘플링 날짜 별 동일한 조건의 실험을 셋팅하여 샘플을 채취하고 실험 진행에 따라 유기물 감량의 변화와 소화 환경 조건 변화를 관찰하고자 하였다. 또한 CTC의 존재형태에 따른 메탄 발생 저해를 관찰하기 위해 Mg2+의 농도, pH를 달리하여 specific methanogenic activity (SMA) test를 진행하였다. 각 조건의 존재형태는 Visual MINTEQ software를 통해 확인되었다. 조건 별 CTC의 존재형태를 변수군으로 적용하고, 메탄 발생량 차이를 종속 변수로 하여 다중회귀분석을 수행하였다. 이를 통해 CTC의 존재형태 중 메탄 발생 저해에 미치는 기여도를 구분하고자 하였다. 마지막으로 혐기성 소화조 수용액 상 환경 조건에서 CTC의 존재형태를 예측하고 CTC의 저해영향 발생 가능성을 평가하였다. 회분식 실험을 통해 25, 50, 100 mg-CTC/L의 조건에서 대조군 대비 각각 90, 80, 80% 의 메탄이 발생하고, 분뇨 내 잔존할 것으로 예상되는 농도 (10 mg-CTC/L)에서는 메탄 발생에 저해가 일어나지 않는 것을 확인하였다. 고상 유기 탄소의 측정오차가 유기 탄소 감량률 차이보다 커 CTC 농도에 따른 유기 탄소 감량률은 비교하지 못하였다. 하지만, 용존 유기 탄소 및 SCOD 변화를 통해 가수분해가 속도 결정 단계로 진행되었음을 확인하였다. 이를 근거로 메탄 발생량을 이용해 가수 분해 속도상수를 결정하고 비교한 결과, CTC 농도 증가에 따라 가수분해가 저해 받는 것으로 나타났다. 또한 CTC 농도 증가에 따른 메탄과 이산화탄소의 발생 몰비율을 비교함으로써 메탄 생성 과정 중 acetogenotrophic methenogenesis가 hydrogenotrophic genesis 보다 CTC의 저해를 받은 메탄 생성 과정임을 파악하였다. SMA test를 통해 금속결합 1가 양이온 CTC와 양쪽성이온 형태의 CTC가 메탄 발생 저해에 가장 영향을 끼치는 존재형태임을 확인하였다. 이는 세포막 투과 및 항생 작용에 유리한 것으로 알려진 존재형태와 같다. 양이온 종류 중 Cu2+가 CTC 존재형태에 가장 큰 민감도를 나타내었다. 민감도 분석 결과 대부분의 CTC는 Cu2+에 의해 금속 결합 중성 CTC로 존재할 것으로 예상된다. 음이온은 영향을 거의 미치지 않았다. 본 연구의 결과를 종합하면, 우분 내 존재할 것으로 예상되는 CTC의 농도에서 유기물 감량 및 메탄 발생의 저해는 발생하지 않을 것으로 판단된다. 또한 우분의 액상 내 존재하는 Cu2+ 농도와 중성 이상의 pH를 고려하면, CTC는 대부분 금속 결합 중성 CTC로 존재할 것이므로 우분의 혐기소화에 미치는 CTC의 영향은 미미할 것이다. 하지만 CTC의 장기노출 시 메탄 발생의 저해 농도가 낮아질 수 있다. 그리고 혐기성 소화 중 CTC의 흡수 및 작용에 미치는 고상의 영향을 확인하지 않은 한계가 있다. 따라서 연속식 반응조를 이용해 장기노출의 효과와 혐기성 소화 환경 인자를 모두 고려한다면 우분의 혐기성 소화에 미치는 CTC의 영향 효과 및 가능성을 더욱 정확하게 판단할 수 있을 것이다.제 1 장 서론 1 제 1 절 연구의 배경 1 제 2 절 연구의 목적 5 제 3 절 연구의 범위 6 제 2 장 문헌 연구 8 제 1 절 혐기성 소화 8 2.1.1. 혐기성 소화 개념 8 2.1.2. 혐기성 소화 과정 10 제 2 절 Tetracycline 13 2.2.1. Tetracycline의 종류 및 물리화학적 특성 13 2.2.2. Tetracycline의 흡수 및 작용 기작 18 2.2.3. Tetracycline의 흡수 및 작용 영향인자 20 2.2.4. 분뇨 내 Tetracycline 잔존 농도 23 제 3 장 실험재료 및 방법 24 제 1 절 실험 재료 24 3.1.1. 기질 및 식종슬러지 24 3.1.2. Chlortetracycline (CTC) 25 3.1.3. 기타 실험 재료 26 제 2 절 회분식 중온 혐기성 소화 실험 27 3.2.1. 실험 방법 27 제 3 절 Specific Methanogenic Activity Test 29 3.3.1 실험 방법 29 제 4 절 분석 방법 31 3.4.1. 물리화학적 성상 분석 31 3.4.2. 바이오 가스 분석 34 3.4.3. 탄소 분석 36 3.4.4. Chlortetracycline 존재형태 분석 36 제 4 장 실험결과 및 분석 39 제 1 절 기질 및 식종슬러지의 물리화학적 성상 39 4.1.1. 액상 수질 분석 39 4.1.2. 금속 양이온 농도 40 4.1.3. 총 탄소 및 유기탄소 분석 41 제 2 절 회분식 중온 혐기성 소화 실험 42 4.2.1. 유기물 감량 변화 42 4.2.2. 메탄 발생량 비교 48 4.2.3. 가수분해 속도 비교 50 4.2.4. Methanogenesis 영향 52 4.2.5. 기타 저해인자 및 소화 조건 차이 확인 54 제 3 절 Specific Methanogenic Activity Test 56 4.3.1. 메탄 발생량 비교 56 4.3.2. Chlortetracycline 존재형태 분석 58 4.3.3. 다중회귀 분석 60 4.3.4. Chlortetracycline에 의한 저해영향 발생 가능성 평가 62 제 5 장 결론 67 참고문헌 69 Abstract 78Maste

경추 자세 유지 관점에서의 맞춤형 베개 생산 및 설계

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :공과대학 기계항공공학부,2019. 8. 이건우.The advent of mass production led a better quality of life of human by providing a number of products to the public with satisfaction of demand for products. However, the demand for product considering each personal characteristics of user began to grow. This demand became satisfied as the development of manufacturing technology made the production cost of customized products cheaper. Especially, products such as shoes, jacket, trousers were custom-fitted and provided to customers nowadays with sophisticated analyses on each product. However, it is hard to custom-fit and manufacture the product. For some products, custom-fit design and production were not proposed with body data of the users even though analysis on the product were steadily studied. In this research, based on studies on pillow, custom-fit pillow was designed and manufactured. First, head data was acquired by a commercial handheld scanner. With the acquired head data, pillow was designed to minimize the stress on the cervical spine by applying cervical curvature angle (CCA). Four design trials were taken to design appropriate custom-fit pillow for participant. In the first trial checked whether produced pillow supported to maintain cervical spine pose. Second trial controlled stiffness of pillow by changing lattice structure while producing pillow. In third, custom-fit pillow was designed considering not only supine position but also lateral position. Last trial solved the problem of third pillow by introducing new design process. By comparing head data of other subjects, it was proved that final design of the pillow fits well to original subject. Using produced pillow based on final design also showed that actual pillow was also comfortable to use.대량생산은 대중에게 많은 제품을 보다 저렴한 가격에 제공하였으며, 제품에 대한 수요를 만족시켜 인류에게 보다 나은 삶의 질을 이끌었다. 그러나 시간이 지남에 따라 소비자 개인의 특성에 맞춘 제품에 대한 요구가 생기기 시작했으며, 이는 제조기술의 발달로 맞춤형 제품의 생산단가가 저렴해져 이러한 욕구가 충족이 되기 시작했다. 특히 신발, 재킷, 바지 같은 제품들은 꾸준히 연구되어온 각 제품에 대한 정교한 분석들을 기반으로 여러 회사에서 고객을 위한 사용자 맞춤형 제품을 이전보다 저렴한 가격으로 제공하고 있다. 그러나 모든 제품이 맞춤형 제품으로 제작되는 것은 아니며, 몇몇 제품의 경우, 충분한 분석이 진행되었음에도 불구하고 사용자의 신체 데이터를 유용하여 사용자 맞춤형 제품의 설계 및 제작이 시도되지 않기도 했다. 본 연구에서는 기존에 행해졌던 베개의 연구들을 기반으로, 사용자 맞춤형 베개를 설계하고 제작하였다. 우선 사용자의 두상 데이터를 시중의 휴대용 스캐너를 이용하여 획득하였다. 이를 기반으로 베개를 설계함에 있어 경추에 걸리는 부담을 최소화 하기위하여 고려되는 경추의 만곡각도를 사용하여 베개를 설계 하였다. 총 네번의 설계시도가 행해졌으며, 첫번째 설계에서는 생산된 배게가 경추 자세 유지에 도움이 되는지 확인하였다. 두번째 설계에서는 생산 과정 중 고려되는 베개 모델의 내부 구조를 변경하여 베개의 강성을 조절하였으며, 세번째 설계에서는 옆으로 눕는 자세를 고려한 베개의 설계를 진행하였다. 마지막 설계에서는 이전 설계에서 문제로 제기된 반듯이 누운 자세와 옆으로 누운 자세를 변환하는 과정을 해결하였다. 최종적으로 설계된 베개가 사용자의 두상데이터에 맞게 설계되었음을 보였으며, 실제로 제작된 베개가 사용자에게 맞게 설계되었음을 보였다. 다른 사용자들이 사용하였을 경우에는 베개가 맞지 않음을 통하여 고유함을 증명하였다.Chapter 1. Introduction １ Chapter 2. Related works ３ 2.1. Custom-fit ３ 2.2. Pillow analysis ３ Chapter 3. System specification ５ 3.1. Head scanning system ６ 3.2. Pillow manufacturing system ７ 3.2.1. Material ７ 3.2.2. Hardware ８ 3.2.3. Software ９ Chapter 4. Head data preparation １０ 4.1. Acquisition of head data １１ 4.2. Feature point extraction １２ 4.3. Head data post-processing １３ 4.3.1. Decimation and smoothing １３ 4.3.2. Head data alignment １５ Chapter 5. Pillow design １９ 5.1. First design ２０ 5.2. Second design ２３ 5.3. Third design ２７ 5.4. Fourth design ３１ 5.5. Comparison with other subjects ４０ Chapter 6. Conclusion and discussion ４２ References ４３ 초록 ４７Maste

돈분의 혐기성 소화 중 클로르테트라싸이클린 항생제의 거동과 장기 영향

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 건설환경공학부, 2022.2. 김재영.가축용 항생제에 의한 가축 생장 촉진 효과가 알려지면서 공장식 사육 시스템이 축산 업계에 일반화되었다. 이로 인해 가축용 항생제가 남용되고 있다. 1950 년 수백 톤에 불과하던 항생제 소비량은 2010 년 약 63,000 톤으로 증가했다. 가축에게 투여된 항생제 중 일부는 분뇨를 통해 배출된다. 가축용 항생제가 남용됨에 따라 수계와 육상 환경이 분뇨로 배출된 항생제에 의해 지속적으로 오염되고 있다. 가축용 항생제는 자연계 내에서 미생물 독성, 항생제 내성균 및 내성 유전자 발현 등의 문제를 야기하는 것으로 알려져 있다. 혐기성 소화는 축산 폐수와 같은 유기성 폐기물들을 처리하기 위한 지속 가능한 방법으로 최근 수십 년간 주목 받아왔다. 이와 동시에 가축 분뇨를 처리하는 혐기성 소화조가 가축용 항생제를 자연계에 배출하는 공급원이 될 수 있다는 우려도 제기되었다. 혐기성 소화를 통한 가축용 항생제의 거동에 따라 가축용 항생제의 환경 농도와 환경 매질에서의 위해성이 바뀔 수 있다. 또한 가축 분뇨 내의 가축용 항생제는 여전히 항생 능력을 유지한다. 혐기성 소화는 일련의 생물학적 처리 과정으로 이루어지므로, 혐기성 소화조 내의 가축용 항생제가 소화 시스템에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 환경 내 가축용 항생제가 만연하는 것을 방지하고, 인간에 의해 발생한 항생제 문제들을 적절히 관리하기 위해서는 혐기성 소화 중 가축용 항생제의 거동과 영향을 이애할 필요가 있다. 본 연구의 목적은 돈분의 혐기성 소화 중 가축용 항생제 클로르테트라싸이클린 (Chlortetracycline, CTC)의 거동과 영향을 평가하는 것이다. CTC는 사용량과 배출 비율, 독성을 고려해 대표 가축용 항생제로 선택했다. 세부 목적은 토양 내 CTC의 환경 위해성 평가를 위한 분뇨 및 토양 내 CTC 농도를 예측하고, 혐기성 소화 중 CTC의 이성질체화를 평가하는 것이다. 그리고 CTC가 장기적으로 돈분의 혐기성 소화에 미치는 영향을 분석하고자 했다. 가축 사육환경과 항생제 사용 패턴의 불확실성을 반영해 분뇨와 토양 내 CTC의 농도를 예측했다. 그리고 몬테카를로 시뮬레이션을 수행해 각 인자들의 민감도를 평가했다. 분뇨와 토양 내 CTC 예상 농도 범위는 각각 0.54 – 5.65 mg/kgmanure, 3.42 – 67.59 μg/kgsoil 였다. 이는 기존 문헌에서 보고한 측정 농도를 포함하는 범위다. 혐기성 소화를 적용하지 않은 경우 토양 내에서 CTC에 의한 위해도가 발생할 확률은 약 9.3 % 였으며, 혐기성 소화를 적용한 경우 이 확률은 0.6 %로 낮아졌다. 이는 혐기성 소화 중 CTC 농도 감소로 인해 토양 내 CTC의 위해성이 상당히 낮아 진다는 것을 정량적으로 나타낸다. 토양 내 CTC 농도에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 퇴비 내 질소 함량, 축사 세척 수 부피, 축사 청소 주기였다. 가축용 항생제의 자연계 노출을 관리하기 위한 체계적인 방법론 수립시 가축 사육 환경을 고려해야한다. 본 연구에서 제시한 영향인자와 인자들의 불확실성은 US EPA의 ‘Guidance for devoping ecological soil screening levels’ 와 같이 평가 인자의 불확실성을 요구하는 방법론에 적용될 수 있다. 돈분과 돈분의 혐기성 소화액 내에서 CTC는 epimer, isomer 및 epi-isomer로 이성질체화되었다. 이 이성질체들은 CTC와 이성질체 농도 합의 60 – 93 %를 차지했다. CTC 보다 많은 양의 이성질체가 존재한다는 것은 CTC만 고려한 위해성이 과소평가되었음을 의미한다. Epimer는 가역적으로 모화합물인 CTC로 변환될 수 있으며, isomer는 환경 내에서 항생제 내성 유전자 발현을 야기하기 때문이다. CTC는 70 % (by wt.) 이상이 소화액 중 고상을 통해 배출될 것으로 예상되며, 이성질체들은 60 % 이상이 액상에 잔존할 것으로 예상된다. CTC는 이성질체에 비해 독성이 매우 높기 때문에 혐기성 소화액의 고상을 우선적으로 관리해야 한다. 1차 동역학을 가정한 미분방정식을 통해 돈분과 소화액 내에서 CTC의 이성질체화 동역학을 분석할 수 있었다. 이 모델은 돈분을 처리하는 연속식 혐기성 소화조 내의 이성질체화 농도를 평가하는데 사용될 수 있다. 연속식 돈분 혐기성 소화조 내 CTC와 이성질체 농도를 평가할 때, 소화조의 수리학적 체류시간이 이성질체화 평형시간보다 짧은 경우 회분식 실험을 통해 이성질체화 동역학 상수를 평가하고 연속식 모델에 적용해야 한다. 수리학적 체류시간이 평형시간 보다 긴 경우, 동역학 상수 분석은 불필요하며, 이성질체 평형 비율 평가가 필요하다. CTC를 3 mg/L로 투여한 돈분과 그렇지 않은 돈분을 각각 처리하는 2 개의 연속식 반응조를 약 900 일간 운영했다. 혐기성 소화 중 CTC 농도 감소 (소화조 내 약 1.5 mg/L 수준)로 인해 토양 내 CTC의 위해성이 낮아지지만, 낮아진 농도 수준으로도 장기간 노출될 경우 혐기성 소화가 저해될 수 있다. 300 일 경화 후 실험군의 유기물 감소율과 메탄 생산량이 감소하기 시작했다. 이는 메탄 발생속도가 감소하고, 돈분의 메탄 전환율이 낮아졌기 때문이다. CTC 노출을 중지한지 300 일 이후까지도 실험군의 소화 성능이 회복되지 않았다. 미생물 군집과 소화조 환경인자를 사용해 중복성 분석을 수행한 결과, 미생물 다양성 감소와 유기산 생성균 군집 변화가 저해 영향과 관련이 있었다. CTC 장기 노출에 의한 저해 현상은 물리화학적 성상 인자들로 예측학기 어렵고 회복가능성이 낮다. 따라서 돈분을 처리하는 혐기성 소화조가 CTC에 지속적으로 노출되는 것을 사전에 방지해야한다.The growth promotion effect of veterinary antibiotics on livestock enabled a factory farming system. It brought on the overuse of veterinary antibiotics in the livestock industry. The consumption of antibiotics for livestock increased from only hundreds of tons in 1950 to 63,200 tons in 2010. Since veterinary antibiotics are excreted with the livestock manure after the administration, the overuse of veterinary antibiotics has led to continuous contamination of the aquatic and terrestrial environment via the livestock manure. In the environment, veterinary antibiotics caused many problems such as microbial toxicity, the prevalence of antibiotic-resistant genes and bacteria, the emergence of super-bacteria, and exposure of veterinary antibiotics to humans. Anaerobic digestion has been getting more attention as a sustainable treatment method to treat organic wastes such as livestock manure and food waste in recent decades. At the same time, there has been a growing concern that anaerobic digestion systems treating livestock manure will be the reservoirs supplying veterinary antibiotics to the environment. The fate of veterinary antibiotics in AD will change and affect the environmental concentration and hazardous in the environmental metrics. In addition, even after excretion with livestock manure, veterinary antibiotics maintain their antimicrobial activity. Since the AD process is a series of microbial metabolizations, the antimicrobial effect can undermine the performance of the AD system. Understanding veterinary antibiotics’ fate and effects on anaerobic digestion are necessary to prevent the prevalence of veterinary antibiotics in the environment and mitigate the anthropogenic environmental problems. In this regard, this study aimed to evaluate the fate and long-term effects of chlortetracycline on the AD of swine manure (SM). Chlortetracycline (CTC) was selected as representative veterinary antibiotics due to its highest usage, excretion rate, and microbial toxicity. Specific objectives were to predict environmental concentrations of chlortetracycline in swine manure and soil for evaluation of the ecological risk of the chlortetracycline, to evaluate the transformation of chlortetracycline in anaerobic digestion treating swine manure by developing a mathematical model, and to elucidate long-term effects of chlortetracycline on the performance and microbial community of the anaerobic digestion of swine manure. In order to predict concentrations of CTC generated from slurry pit and evaluate its ecological risk in soil, slurry pit farm practices and their uncertainties were considered based on the European Medicine Agency guidelines. Sensitivity analysis was conducted on the exposure estimation of CTC in soil employing the Monte Carlo simulation. Transformation of CTC in swine manure and anaerobic digestate was investigated in batch test. Mass balance-based ordinary differential equations were established by assuming their reversible and irreversible 1st order kinetics reactions. Simulation was conducted to predict CTC and transformation products in CSTR treating swine manure by using estimated kinetic constants and the estimated concentrations of CTC and transformation in swine manure from slurry pit. Two continuous-stirred tank reactors treating SM w/ and w/o CTC spiking (3 mg/L) were operated for 900 days to assess the long-term effects of CTC on the anaerobic digestion. The test concentration was determined based on the predicted environmental concentration of CTC in swine manure from slurry pit. Performance amd stability parameters such as methane generation, organic removal, volatile fatty acid concentrations, ammonia concentration, alkalinity, etc. were monitored. Microbial diversity and community were evaluated to elucidate the long-term inhibition. The predicted environmental concentrations of CTC in the slurry pit and soil were in a range of 0.54 - 5.64 mg/kgmanure and 3.42 - 67.59 μg/kgsoil, respectively, for a 90% confidence level. The predicted ranges included the measured values reported in previous studies. The probability of risk quotient was estimated at 9.3% based on the Monte Carlo simulation. If anaerobic digestion is applied before fertilization/composing, the probability of ecological risk is significantly reduced to 0.6 %. The four most influential factors on the exposure to CTC in soil were identified as nitrogen in fertilizer/compost, daily cleaning water usage, the ratio of sick pigs requiring antibiotics, and pit emptying cycles. In the swine manure and its anaerobic digestate, epimer, isomer, and epi-isomer of CTC were transformed from the CTC. They accounted for 60 - 93 % (w/w) of the residual total CTCs. The CTC is expected to be transported by solid-phase of anaerobic digestate (> 70 % by wt.) while most of ECTC, EICTC, and ICTC remained in the liquid phase (> 60 % by wt.). A series of ordinary differential equations based on the 1st order kinetics demonstrated the kinetics of degradation and transformation in the swine manure and its anaerobic digestate. The simulation included observed concentration of CTC from full-scale biogas plants treating swine manure. At around day 300 after the CSTR operation, total chemical oxygen demand reduction and methane generation decreased in the test reactor due to the reduced methane generation rate and mineralization ratio of the SM. The methane generation was not recovered during 300 days even after the CTC exposure was stopped. The inhibition is caused by a reduction of microbial diversity and change of the microbial community to an inefficient state in terms of the AD performance. The concentration of CTC in slurry pit and manure compost-applied soil can be efficiently estimated by considering uncertainties of field conditions. The ecological risk of CTC in the soil is probable and affected by slurry pit farm practices. It is difficult to reduce the risk under 5% by controlling the farm practices. AD of swine manure is recommended not only for organic waste treatment but also for the ecological risk reduction under 0.5%. Transformation of CTC during the AD implies that the environmental risk based on the concentration of CTC can be underestimated due to unnoticed reversible transformation from ECTC to CTC and the expression of ARGs by ICTC. The suggested model can be utilized for the prediction of the concentrations of CTC and the transformation products in a CSTR treating swine manure. Batch test for estimating transformation kinetic constants is recommended to be conducted without degradation until the equilibrium achieved. It is hard to predict the inhibition by using physicochemical indicators of the AD system and recover from the inhibition within 300 days. Continuous exposure to CTC for at least 100 days needs to be avoided for the sustainable management of AD plants treating SM.TABLE OF CONTENTS ABSTRACT i TABLE OF CONTENTS vii LIST OF FIGURES xi LIST OF TABLES xv CHAPTER 1 1 INTRODUCTION 1 1.1 Background 1 1.2 Research scope and objectives 3 1.3 Dissertation structure 4 CHAPTER 2 5 LITERATURE REVIEW 7 2.1 Occurrence and transport of veterinary antibiotics to environment 7 2.1.1 Use of veterinary antibiotics in livestock industry 7 2.1.2 Occurrences and transport of veterinary antibiotics to environment 9 2.1.3 Presence of tetracyclines in the environment 10 2.1.4 Chemistry of tetracycline antibiotics 12 2.2 Environmental toxicity and risk of tetracycline antibiotics 14 2.3 Anaerobic digestion of livestock manure containing antibiotics 17 2.3.1 Process of anaerobic digestion 17 2.3.2 Fate of tetracyclines during anaerobic digestion 19 2.3.2 Effects of tetracyclines on anaerobic digestion 32 CHAPTER 3 47 UNCERTAINTY-BASED CONCENTRATION ESTIMATION OF CHLORTETRACYCLINE IN SWINE MANURE AND RISK PROBABILITY ASSESSMENT IN SOIL 47 3.1 Introduction 47 3.2 Materials and methods 50 3.2.1 Scenario and equations for prediction of concentration of CTC 50 3.2.2 Characterization of ecological risk 56 3.2.3 Uncertainty analysis and sensitivity analysis 57 3.3 Results and discussion 58 3.3.1 Predicted CTC concentration in swine manure from the slurry pit 58 3.3.2 Predicted CTC concentration in the soil 62 3.3.3 Ecological risk of CTC in soil 64 3.3.4 Sensitive parameters on the PECsoil 66 3.3.5 Limitations 68 3.4 Summary 71 References 72 CHAPTER 4 78 TRANSFORMATION OF CHLORTETRACYCLIN IN SWINE MANURE AND ITS ANAEROBIC DIGESTATE 78 4.1 Introduction 78 4.2 Materials and methods 81 4.2.1 Chemicals and sludge 81 4.2.2 Transformation tests 82 4.2.3 Quantification and qualification of CTC 83 4.2.4 Kinetic analysis 85 4.2.5 Analytical methods 89 4.2.6 Statistical analysis 90 4.3 Results and discussion 91 4.3.1 Equilibrium between transformation products 91 3.3.2 Phase distribution of epimer and isomer of CTC 96 3.3.3 Kinetics of epimerization and isomerization 97 3.3.4 Estimation of CTC and transformation products in a CSTR 103 4.4 Summary 109 References 110 CHAPTER 5 117 LONG-TERM EFFECTS OF CHLORTETRACYCLINE ANTIBIOTICS ON ANAEROBIC DIGESTION OF SWINE MANURE 117 5.1 Introduction 117 5.2 Materials and methods 120 5.2.1 Substrate, inoculum, and chlortetracycline 120 5.2.2 CSTR operation 122 5.2.3 Analytical methods 123 5.2.4 Statistical analysis 125 5.3 Results and discussion 126 5.3.1 Fate of chlortetracycline 126 5.3.2 Anaerobic digestion of swine manure 129 5.3.3 Microbial community 139 5.3.4 Bivariate and redundancy analysis between microbial community and environmental factors 144 5.4 Summary 146 References 147 CHAPTER 6 156 CONCLUSIONS 156 국문초록 158 APPENDIX 162박

Spectrophotometer를 이용한 치아 색상과 피부색의 상관관계 연구

학위논문 (석사)-- 서울대학교 치의학대학원 : 치의학과, 2014. 2. 현홍근.1. 목 적 치과 영역의 임상진료에 있어 치아의 수복은 많은 관심과 높은 빈도를 차지하는 진료이다. 치아 수복의 궁극적인 목적은 치아의 고유 기능인 심미, 저작, 발음 등을 질환의 발생 전 상태로 회복시키는 것이다. 이상적인 수복이 이루어 졌을 경우 치아의 고유기능을 모두 회복할 수 있겠지만, 전치부의 경우에는 환자나 치과의사에게 있어 특히 심미적인 기능회복이 중요한 목표가 될 수 있다. 전치부 수복에 있어 심미에 영향을 끼치는 요소는 다양한데, 통상 객관적인 지표를 통해서가 아닌 환자와 술자의 주관적인 기준으로 결정되는 경우가 많다. 이와 같은 이유로, 주변 치아나 잔존 치질 외에도 심미적이면서 자연스러운 치아의 수복을 위해서는 참고할 만한 객관적 지표의 다양한 확보가 필요하다고 생각된다. 특히나 무치악 환자에 있어 주위 치아 색과 같은 기준이 없을 경우에 하나의 객관적인 지표를 마련하고자, 개인별 피부색과 건강한 치아의 색상 사이에는 어떠한 상관관계가 존재하여 조화를 이룰 것이라는 가정하에 이 둘 사이의 상관관계를 규명함으로써 수복물의 색상을 결정하기 위한 새로운 지표로서 활용하고자 이번 연구를 시작하게 되었다. 2. 방 법 서울 대학교 치과병원에 내원하는 25-36세 환자 40명을 대상으로 하여 상악 좌,우 중절치 색상과 이마, 양측 뺨, 양측 팔 안쪽의 색상을 측정하여 총 치아 80개와 피부 200군데의 색상을 측정하였다. 실험군은 사전에 이번 연구에 적합한 지를 먼저 확인 하였다. 전치부가 근관치료 받았거나 수복으로 인해 전치부 색상이 변화한 경우는 제외되었다. 3. 결 과 피부간의 L*, a*, b*값을 보면, L* 값의 경우 부위 별 간에 서로 상호관계가 높다는 것을 알 수 있었다(p0.05). 치아와 피부간의 L*, a*,b*값의 상관 관계를 통계 분석해 보면, 치아의 L*, a* 값과 다른 피부부위의 L*, a*값 과는 서로 상호 연관성이 약했고, 치아의 b* 값과 arm 부위의 b* 값은 높은 상호 연관성을 보이는 것을 알 수 있었다(p<0.05). 이를 토대로 치아의 b* 값과 팔 안쪽 피부의 b* 값이 서로 연관성이 있음을 알 수 있었고, 더 명확한 관계식을 얻고자 회귀 분석을 한 결과 다음과 같은 관계를 보였고 회귀분석 식을 얻게 되었다. B_teeth = -0.523 * b_arm + 18.266목 차 제 1 장 서 론 1 제 2 장 본 론 3 제 3 장 결 과 5 제 4 장 고 찰 6 제 5 장 결 론 9 참고문헌 10 Abstract 16Maste

(A) study on personal information decision right : with the focus on the conflict with the freedom of personal information process

학위논문(석사) --서울대학교 대학원 :법학과,2009.8.Maste

Design of compound simulations exploiting the HLA concept for implementation of ship-navigation M&S technique with physics-based model

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :조선해양공학과,2005.Docto

The Effects of FeO and CaO on NOx Formation in The Iron Ore Sintering Process

MasterNOx emission from fuel - coke breeze or anthracite are representatives as fuel in the iron ore sintering process - combustion during the iron ore sintering process is one of major causes of air pollution such as acid rain and photochemical smog. And the iron ore sintering process occupies more than 40% of the total NOx emission from Korean domestic steel works So reducing the amount of NOx emission and prevent NOx generation from fuel combustion is greatly important. Basically NO gas generated during coal combustion in the iron ore sintering process can be reduced by CO gas and this reaction can occur at high temperature. And there are many papers about catalytic effect of these oxides on NOx reduction. This work focused on understanding NOx reduction mechanism by evaluating effect of oxides of Fe and Ca. FeO and CaO were used among those oxides for qualitative and quantitative evaluation during reaction between NO and CO gases. These materials were exposed to NO-CO gas reaction system in the gold furnace. And experimental conditions were controlled by manual flow controllers and detected by QMS detecting system. At low temperature, CO can not reduce NO gas directly, but in the presence of FeO and CaO, NO gas can be reduced to nitrogen gas at lower temperature by catalytic or direct reduction effect or direct reduction. And the overall effect of FeO through all experimental temperature conditions was better than that of CaO due to direct reduction. The effect on NO reduction by mixing FeO and CaO together did not make a big difference. Temperature and flow dependence for each material showed similar tendencies. With increasing temperature, fractional reduction of NO gas increased, and on the contrary to this, decreasing flow of mixing gas showed increase of fractional reduction of NO gas. Lastly, variation of compositions of gas phases with constant amount of FeO and CaO did not have a dramatic influence on fractional reduction of NO gas because there was little difference of surface area of FeO and CaO catalysts for NO-CO reaction between experimental conditions

Changes of charge storage mechanism of aqueous zinc-ion battery depending on pH

학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과, 2022.2,[iv, 46 p. :]수계 아연이온 전지는 안전하고 친환경적이며 경제적이라는 장점 때문에 큰 주목을 받고 있으나, 전하 저장 메커니즘에 대한 부족한 이해가 고성능 전지 개발에 방해가 되고 있다. 실제로, 전해질에 존재하는 두 양이온인 수소 이온과 아연이온 중 무엇이 주요한 전하 운반체로 작용하며, 전하 저장에 기여를 하는지에 대한 논의가 계속 이어지고 있다. 본 연구에서 우리는 층상 구조의 사방정계 바나듐 산화물인 $α-V_2O_5$를 양극 활물질, 아연 금속을 음극으로 사용한 수계 아연이온 전지 시스템에서, 전해질의 수소 이온 농도에 따라 전하 저장 메커니즘이 변하는 것을 보여주었다. pH=1에서 pH=4.5까지 수소 이온 농도가 낮아짐에 따라 양극 활물질에 삽입되는 이온이 수소 이온에서 아연 이온으로 변하였으며, 특히 pH=3의 조건에서는 수소 이온과 아연 이온이 순차적으로 모두 삽입되는 것을 XRD, XPS, STEM/EDS 분석을 통해 체계적으로 확인하였다.한국과학기술원 :신소재공학과

시분해 형광을 이용한 광유도 전자와 양성자 이동 과정에서의 용매의 역할 연구

Doctor광반응의 설계에 있어 그 메커니즘을 파악하는 일은 중요하다. 광반응은 그 반응 속도가 매우 빠르기 때문에 많은 이완 과정들이 동시에 일어난다. 이렇게 동시에 일어나는 이완 과정들은 반응의 관찰을 어렵게 만들 뿐만 아니라 반응 그 자체에 영향을 주기도 한다. 본 연구는 그러한 이완 과정 중에서도 들뜬 상태에서 일어나는 용매화가 광반응에 어떠한 영향을 미치는지를 연구하였다. 반응 과정에서 분자의 쌍극자 모멘트가 크게 바뀌는 반응들은 용매화의 영향을 크게 받는다. 본 연구에서는 전하 이동 (Charge Transfer, CT)과 분자 간 양성자 이동 (Proton Transfer, PT)을 연구하였는데, 이 반응들은 모두 반응 과정에서 분자의 쌍극자 모멘트가 크게 바뀌는 반응들이다. CT와 분자 간 PT는 용매화에 의한 들뜬 상태에서의 생성물의 자유 에너지 안정화가 매우 크다. 따라서 용매의 배향이 중요한 반응 좌표이고 많은 경우 용매화 시간과 반응 시간이 일치한다. CT와 PT의 반응 메커니즘 관찰을 위하여 높은 시분해능으로 시분해 형광 (Time-Resolved Fluorescence, TF)을 측정하였다. 또, 몇 가지 양자 계산 방법도 사용하였다. 3장에서는 9,9’-Bianthracene (BA) 분자의 들뜬 상태에서의 대칭성을 깨는 전하 이동 (Symmetry-Breaking Charge Transfer, SBCT) 과정을 관찰하였다. 대칭적 분자는 그 대칭성이 깨지지 않는 조건에서는 전하 이동이 일어날 수 없기 때문에 주변 용매가 대칭을 깨야만 반응이 일어난다. SBCT는 광합성에서의 반응 중심 (Reaction Center, RC)에서도 관찰할 수 있다. SBCT가 일어나는 가장 간단한 유기 분자인 BA에서 TF와 양자 계산을 이용, SBCT 과정을 관찰하였다. 그 결과, TF 실험과 분자 동역학 시뮬레이션 (Molecular Dynamics Simulation, MD Simulation) 결과에서 모두 극성 용매 분자의 회전 운동이 전하 이동 반응과 강하게 연관되어 있음을 알 수 있었다. 일반적으로, 관성 운동이라고 불리는 용매의 빠른 용매화 과정도 전하 이동과 큰 연관이 있으나 BA의 SBCT에서는 전혀 그 상관관계가 없는 것을 발견하였다. 용매의 순간적인 회전 운동의 치우침이 특정 방향으로의 전기장을 형성하고 형성된 전기장에 의해 CT가 일어난다. 생성된 CT 상태를 다시 용매의 회전 운동이 안정화 시켜주는 협동적인 과정을 통하여 전하 이동이 일어남을 알 수 있었다. 4장에서는 강한 광산 (Photoacid)으로 알려진 QCy9라는 분자에 대한 광동역학을 연구하였다. 광산은 들뜬 상태에서 양성자를 내놓는 분자들을 통칭한다. 특히, 강한 광산 (Super-Photoacid)은 들뜬 상태에서의 산 해리 상수 (pKa*)가 −2보다 작고 물 외의 양성자 용매에서도 산으로 작용할 수 있는 광산들을 말한다. QCy9는 대표적인 강한 광산 중 하나이다. 이 분자는 바닥 상태에서부터 약한 산이며, 들뜬 상태에서는 −7.1 정도의 매우 작은 pKa*와 100 fs 정도의 PT 반응 시간을 가지는 것으로 알려져 있다. 높은 시간 분해능으로 이 과정을 관찰한 결과, 반응 시간은 44 fs (69 %)와 200 fs (31 %)로 매우 빠르게 반응이 일어나는 것으로 측정되었다. 이렇게 빠른 분자 간 PT 반응은 분자 내 진동 좌표가 반응 좌표로 작용하는 것으로 알려져 있다. 흥미로운 점은 반응 후에 생성된 짝염기의 형광 봉우리가 550 nm에서 660 nm까지 약 3000 cm-1 정도의 매우 큰 적색 편이를 보인다는 점이다. 이 적색 편이의 속도를 측정하였을 때 물의 용매화 속도와 일치하였다. 따라서 용매화 과정이 반응 자체를 야기하지는 못하지만 반응 후의 매우 큰 에너지 변화를 일으킴으로써 짝염기의 자유 에너지를 낮추고, 이를 통해 pKa* 값을 이례적으로 낮춤으로써 QCy9가 매우 강한 광산이 될 수 있도록 하는 것을 알 수 있었다. 광반응에는 다양한 이완 과정이 수반되며 특히 용매화는 CT와 PT 반응을 야기하는 주요 반응 좌표가 될 만큼 중요한 이완 과정이다. 기존 연구들에서 용매화가 반응을 야기하고 반응과 함께 일어나는 것들을 주로 관찰하였다면 본 연구는 용매화가 좀 더 다양한 방식으로 분자의 반응과 물성에 영향을 주는 것에 초점을 맞추었다. BA의 SBCT에서는 다양한 용매화 과정 중 오직 회전 운동에 의한 용매화만이 반응과 큰 연관이 있었다. QCy9의 PT에서는 용매화가 PT 반응 자체와는 큰 연관이 없으나 생성물인 짝염기의 에너지를 매우 크게 낮춤으로써 분자가 강한 광산이 되도록 만드는 것을 알 수 있었다. 다양한 용매화의 역할을 관찰함으로써 광반응에서의 용매화의 역할이 기존에 알려진 것보다 다양함을 알 수 있었다.The photoreaction is noticed as alternative of the thermally activated reaction since it uses light, the most abundant energy source in Earth. Because photoinduced reactions usually occur in ultrafast time scale, femtosecond to nanosecond, several relaxation processes such as solvation, intramolecular vibrational redistribution (IVR), internal conversion occur simultaneously. These relaxation processes not only make detection of the reaction rate hard, but affect the reaction itself. In this thesis, especially, I investigated the role of solvation during photoinduced charge transfer (CT) and proton transfer (PT). Time-resolved fluorescence (TF) with 50 fs time resolution is applied to investigate ET and PT. Because TF doesn’t give complete information about reaction dynamics, several quantum chemical calculation methods including quantum mechanics (QM)/molecular mehcanics (MM) molecular dynamics (MD) simulation are used. Two practical examples under the investigation are symmetry-breaking CT (SBCT) of 9,9’-bianthracene (BA) and excited-state proton transfer (ESPT) of super photoacid named quinone cyanine 9 (QCy9). In chapter 1, I briefly summarized the background regarding photoreactions and fluorescence. Chapter 2 describes experimental details. In chapter 3, CT dynamics of BA is written. SBCT is an important process at early stages of the photoinduced processes in multichromophore systems such as the photosynthetic apparatus. I investigated photoinduced SBCT dynamics of BA, a representative molecule showing SBCT, by TF with the highest time-resolution and excited-state QM/effective fragment potential MD simulation. TF experiments show that the SBCT kinetics matches quantitatively with the solvation function excluding the initial ultrafast component that is assigned to the inertial motion of solvent. Therefore, it is established that the SBCT of BA is coupled solely with the rotational diffusion of solvent molecules excluding the inertial motion of solvents. MD simulations show that random rotational fluctuation of solvents mostly in the first solvation shell generates a transient electric field as high as 1.0×109 V·m−1, which provides an asymmetric environment required for the generation of a CT state in this symmetric dimer. Once the CT state is formed, the dipole moment in the solute causes further rotation of solvent molecules leading to augmented electric field, which in turn further stabilizes the CT state prohibiting the reverse reaction. Chapter 4 shows origin of super photoacids investigating QCy9. QCy9 is one of the strongest photoacids known to date. The origin of "super"-photoacidity was investigated via TF with high enough time resolution to accurately resolve the ultrafast dynamics. The ESPT of QCy9 in water is found to proceed biexponentially with 44 fs (69 %) and 200 fs (31 %). More importantly, initially created base form of QCy9 in the excited state undergoes massive Stokes shift over 3000 cm−1 by solvation. Ultrafast reaction rate with small barrier and the massive solvation of the base make QCy9 a particularly strong photoacid. Quantum chemical calculations show that structural diversity leads to the nonexponential behavior of the ESPT dynamics. In both examples, SBCT of BA and ESPT of QCy9, solvation has special role. SBCT of BA becomes possible only when the solvents have permanent dipole moment and fluctuate by the rotational motion. This rotational fluctuations make CT state of BA then the CT state causes full rotation of solvents, which in turn makes further stabilization of CT state. ESPT of QCy9 completely done within 100 fs time scale. Solvation doesn’t affect the reaction itself a lot. After ESPT, however, resulting conjugate base molecule undergoes a huge amount of energy stabilization by solvation. This makes conjugate base stable, and resultingly QCy9 is super photoacid. These observations broadened understandings of the role of solvents during photoreactions